LM5070单芯片在太网馈电系统中的应用

以太网馈电(PoE)技术是一种利用同一条标准以太网电缆馈送电力及数据的传输技术。网络(IP)电话、闭路电视保安摄影机、无线局域网节点以至部分乐器都可通过以太网馈电系统获得供电。本文从实际应用的角度介绍以太网馈电回扫转换器的设计。这个转换器设计采用美国国家半导体的LM5070单芯片、高性能以太网馈电解决方案，可为高效率的以太网馈电系统设计提供所有必要的功能。
由于RJ-45电源连接器在世界各地广泛使用，因此世界各地采用以太网馈电技术的电子设备都能兼容，而且符合以太网馈电要求的电子设备还有可灵活管理及远程通电/断电的优点。
受电设备(PD)只要采用以太网馈电技术，便可通过现有的数据电缆获得电源供应。供电设备(PSE)预先准确测量受电设备，以确保该设备符合有关标准的规定。若受电设备符合标准，供电设备便会为其提供48伏(V)的供电。
可与IEEE标准兼容的受电设备的操作模式
美国的电气及电子工程师学会(IEEE)已于2003年6月通过采纳有关以太网馈电产品的技术标准。IEEE802.3af技术标准有多个优点，例如规定旧式设备及符合以太网馈电要求的设备同样可以在安全的情况下获得供电，电缆的原有结构可以保留下来，而供电时不会令数据素质下降。IEEE学会已就这方面的技术制定相关的标准，例如馈电网必须采用内含两对或四对双扭铜线的标准第5e类(Cat 5e)以太网电缆，而且可以输送48伏的直流电，供电量分为4类，以每端口可获得的供电量划分，最低供电为4W，而最高供电则为15.4W。
供电设备会先测量电缆的阻抗(特性确认)，以便通过这样的检测确定受电设备是否已真正连线。若阻抗介于23.75k?与26.25k?之间，供电设备便可断定受电设备已真正连线。
若电压超过23伏，有关技术标准规定必须采用欠压锁定(UVLO)功能，以免出现不良特性确认电阻，以及确保在输入电容器获得全面充电而稳压输出开始提供之前有足够的等待时间，直至受电设备获得全面供电。另一方面，供电设备也可取得受电设备的分级电流，以便知道该连线设备所需供电的类别(参看图2)。
一旦欠压锁定已解除，LM5070芯片的接口部分会为负载电容提供充电，而负载电容是必须为开关模式电源供应器(SMPS)提供的输入电容。为了控制这个充电过程，流入主功率场效应晶体管的电流规定不可超过420mA，而可编程浪涌电流则限定在100mA至375mA的范围内。
典型的以太网馈电直流/直流转换器设计：
由于LM5070控制器芯片采用高度集成的技术，因此不但可以支持符合IEEE802.3af标准的系统设计，而且只需极少外接元件便可提高系统的性能。图3显示一款只需加设极少外接元件的非隔离回扫输出电源供应器，例如开关式金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)(Si4848，150V/3A)、设有初级及次级线圈的变压器、为输出电压提供整流的二极管以及输入与输出电容器等几颗重要的基本元件便在背后为这款电源供应器提供支持。
回扫连续模式的线路布局比较适宜采用快速的脉冲宽度调制(PWM)电流模式控制器，因为这种控制器可以控制输入电流，并为其设定限幅，而且还可稳定同一电路之内的输出电压。只要调节功率晶体管的占空度，便可确定线路及电流的瞬态响应。占空度大小取决于输出电压误差及锯齿波形，后者由流入外接感测电流电阻的初级线圈电感电流所产生。
这款控制器只要将电流感测信号与内部参考电压加以比较，便可为输入电流设定每周期的电流限幅。若占空度超过50%，次谐波振荡会成为潜在的不稳定因素，但只要为电流斜坡信号提供内部斜率补偿，即使占空度超过50%，不稳定的问题也不会出现。
图4显示设有可编程级别设定及可编程浪涌保护电流的隔离式以太网馈电解决方案。此外，为了加强故障电流保护功能，这个解决方案还加设了3个不同的电流限幅及过热保护功能：
①可编程设定的控制器电流过高保护功能可以抑制启动时产生的电流尖峰。
②若流入主功率MOSFET的直流电上升至超过375mA，电流限幅放大器可以令场效应晶体管出现饱和，使漏极(RTN)上升。只要RTN上升至2.5V wrt VEE以上，而PowerOK=0，便会触发软启动，而芯片也会不断尝试重新启动。
③过热限幅功能提供多一个安全保障，以免系统出现错误，或出现其他超越安全警戒的事件。
同时，Coilcraft公司已为LM5070芯片开发了多款采用表面贴装封装的变压器，以确保系统能充分发挥其效率。